WO2015124182A1

WO2015124182A1 - Düsenkopf

Info

Publication number: WO2015124182A1
Application number: PCT/EP2014/053259
Authority: WO
Inventors: Marco Linde
Original assignee: Ant Applied New Technologies Ag
Priority date: 2014-02-19
Filing date: 2014-02-19
Publication date: 2015-08-27
Also published as: DK3107689T3; SG11201606398RA; AU2014383643B2; CA2939168A1; CN105980106A; US11376711B2; EP3107689B1; MX2016010780A; AU2014383643A1; EP3107689A1; US20170008150A1; CA2939168C; BR112016019167B1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Düsenkopf (1) zum Ausbringen einer unter Druck stehenden Suspension bestehend aus einem Fluid und Abrasivmittel, mit zumindest einer Düse (8), welche zumindest eine Austrittsöffnung (20) zum Austritt der Suspension aufweist, wobei der Düsenkopf (1) zumindest eine erste Antriebsvorrichtung (17') aufweist, durch welche der Düsenkopf um eine erste Achse (A1) gedreht werden kann.

Description

Düsenkopf

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Düsenkopf zum Ausbringen einer Suspension bestehend aus Fluid und festen Partikeln, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 . Derartige Düsenköpfe werden beispielsweise in Anlagen zum Wasserstrahlschneiden, zum Bohren mittels Wasserstrahl oder in sonstiger Weise zum Oberflächenabtrag eingesetzt.

Bei diesen Verfahren wird das zu bearbeitende Material durch einen Hochdruckwasserstrahl unter Zusatz von Abrasivmittel bearbeitet. Vorteilhaft bei dieser Art der Bearbeitung ist, dass nahezu alle Materialien bearbeitbar sind und dass sich das Schneidgut dabei kaum erwärmt.

Zur Erhöhung der Schneid- oder Bohrleistung oder auch der Bearbei- tungsqualität, insbesondere bei besonders harten Materialien, ist es im Stand der Technik bekannt, einen Wasser-Abrasiv-Strahl zu verwenden, welchem ein Schneidmittel, ein sogenanntes Abrasivmittel (z. B. Granatsand, Glas, Schlacke, Olivine, Korund, o.ä.) zugesetzt wird. Dazu wird beim Wasser-Abrasiv-Suspensions-Schneiden eine Suspension aus Was- ser und Abrasivmittel gebildet, welche unter hohem Druck aus einer Düse ausgebracht wird.

Ein Düsenkopf zum Ausbringen einer Suspension, welche ein Fluid sowie ein Abrasivmittel umfasst, ist beispielsweise aus EP 1 820 604 Bl bekannt. Der Düsenkopf weist zumindest eine feststehend angeordnete Düse mit einer Austrittsöffnung auf, durch welche die Flüssigkeit ins Freie ausge- geben wird. Damit dies möglichst definiert geschieht, um also ein gewünschtes Schneid- oder Abtragsergebnis zu erzielen, ist stromaufwärts der zumindest einen Düse ein Strömungsführungselement angeordnet. Dieses Strömungsführungselement ist im Strömungsweg der der Düse zugeführten Flüssigkeit vor der Düse und deren Austrittsöffnung angeordnet, sodass die Flüssigkeit zunächst das Strömungsführungselement passieren muss, bevor sie die Düse und die Austrittsöffnung erreicht. Das Strömungsführungselement ist derart ausgebildet und angeordnet, dass es die auszubringende Flüssigkeit stromabwärts der Düse um die Längs- achse des Strömungswegs in Rotation versetzt.

Diese Rotation der Flüssigkeit führt zum Einen zu einer Strahlaufweitung der Flüssigkeit nach dem Austritt aus der Düse, sodass die Flüssigkeit kegelförmig aus der Düse austritt und im Abstand zu der Austrittsöffnung stromabwärts der Düse ein Durchmesser der Flüssigkeitsströmung erreicht wird, welcher größer als der Durchmesser der Austrittsöffnung ist. Zum anderen wird durch die rotierende Flüssigkeitsströmung, welche aus der Düse austritt, die Abtragsleistung verbessert. Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Düsenkopf zum Ausbringen einer Suspension aus einem Fluid und einem Abrasivmittel bereitzustellen, mittels welchem die oben beschriebenen Effekte noch weiter verbessert werden. Diese Aufgabe wird durch einen Düsenkopf mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Erfindungsgemäß wird somit ein Düsenkopf zum Ausbringen einer Suspension bestehend aus Fluid und Abrasivmittel, mit zumindest einer Düse, welche zumindest eine Austrittsöffnung zum Austritt des Fluids bzw. der Flüssigkeit aufweist, bereitgestellt, wobei der Düsenkopf vorzugsweise zur Bewegung entlang einer Vorschubachse ausgestaltet ist. Ferner weist der Düsenkopf zumindest eine erste Antriebsvorrichtung auf, durch welche der Düsenkopf um eine erste Achse drehbar ist, die be- vorzugt parallel zur Vorschubachse verläuft. Dadurch, dass der Düsenkopf selbst in Rotation um eine Achse, insbesondere parallel zur Vorschubachse oder in der Vorschubachse versetzt wird, kann ein höherer Materialabtrag und die Bearbeitung einer größeren Fläche realisiert werden.

Als auszubringendes Fluid kann nicht nur Wasser sondern auch eine andere geeignete Flüssigkeit verwendet werden. So kann die Flüssigkeit beispielsweise in ihrer Viskosität an den Umgebungsdruck, insbesondere beim Einsatz unter Wasser angepasst werden. Als Abrasivmittel können geeignete Stoffe, wie beispielsweise Granatsand, Glas, Schlacke, Olivi- ne, Korund, o.ä. eingesetzt werden.

Die erste Achse verläuft vorzugsweise parallel zur Längsachse des Düsenkopfes, wobei die Längsachse diejenige Achse ist, in deren Richtung die Strömung durch den Düsenkopf erfolgt. Bevorzugt ist diese Längsachse die Mittelachse des Düsenkopfes und entspricht weiter bevorzugt der Vorschubachse, entlang derer der Düsenkopf beispielsweise beim Ausbilden einer Bohrung vorgeschoben wird. Weiterhin kann vorzugsweise stromaufwärts der zumindest einen Düse zumindest ein Strömungsführungselement derart angeordnet sein, dass die auszubringende Flüssigkeit stromaufwärts der Düse in Rotation versetzt wird. Hierdurch kann, wie bereits beschrieben, eine kegelförmige Strahlaufweitung erzielt werden, welche ein Abtragen von Material auf besonders effektive Weise ermöglicht. Insbesondere bewegt sich das aus der Düse in der Suspension austretende Abrasivmittel auf einer Kreisbahn. Als Strömungsführungselement kann insbesondere ein wendel- bzw. schneckenförmiger Strömungsweg eingesetzt werden. Dabei kann die den Strömungsweg definierende Schnecke insbesondere auch mehr- gängig, beispielsweise dreigängig ausgebildet sein. Eine Wendel- oder Schneckenstruktur kann als Einsatz oder beispielsweise als wendeiförmige Bahn am Innenumfang eines Strömungskanals oder am Außenumfang einer Mittelwand eines ringförmigen Strömungskanals ausgebildet sein.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform fällt die erste Achse mit der Längs- oder Vorschubachse zusammen, sodass der Düsenkopf bei der Bearbeitung eines Materials, z. B. beim Durchtrennen eines Metalls oder beim Ausführen einer Bohrung, eine um seine Längsachse herum kon- zentrische Rotation ausführt.

Alternativ kann die erste Achse auch beabstandet von der Längs- oder Vorschubachse angeordnet sein. Hierdurch kann eine Vergrößerung des Bearbeitungsquerschnitts erzielt werden. Der Düsenkopf kann dabei entweder eine konzentrische kreisrunde Bewegung oder aber eine exzentrische Bewegung ausführen. So kann beispielsweise die Längsachse des Düsenkopfes mit dem Düsenkopf auf einer Kreisbahn um die erste Achse herum rotieren. Dabei erfolgt dann der Vorschub vorzugsweise entlang einer Vorschubachse, welche sich in Richtung der ersten Achse erstreckt. Wenn die erste Achse beabstandet, insbesondere normal bzw. parallel beabstandet zu der Vorschubachse liegt, rotiert der Düsenkopf um eine nicht mit der Vorschubachse zusammenfallende Achse, z. B. um seine zu der Vorschubachse versetzte Längsachse. Bevorzugt verläuft die erste Achse parallel zu der Längsachse und/oder der Vorschubachse des Düsenkopfes. Die Achsen können jedoch auch gewinkelt zueinander verlaufen, insbesondere dann, wenn der Düsen- köpf beispielsweise gewinkelt zur Vorschubrichtung angeordnet ist, d. h. sich die Längsachse des Düsenkopfes gewinkelt zur Vorschubachse erstreckt. In diesem Fall kann beispielsweise die erste Drehachse parallel zur Längsachse des Düsenkopfes oder parallel zur Vorschubachse an- geordnet sein.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist Düsenkopf eine zweite Antriebsvorrichtung auf, durch welche der Düsenkopf zusätzlich um eine zweite Achse drehbar ist, die beabstandet von der ersten Achse ist. Wird die Bearbeitung mittels einer Rotation um die erste und die zweite Achse durchgeführt, so können sowohl eine Verbesserung der Bearbeitungsleistung als auch eine Vergrößerung des Bearbeitungsquerschnitts erzielt werden. So kann beispielsweise die erste Achse so angeordnet sein, dass der Düsenkopf um seine Längsachse rotiert, welche von der Vorschubachse in radialer Richtung beabstandet ist. Die zweite Achse kann dann beispielsweise entlang der Vorschubachse verlaufen, sodass die Längsachse und entsprechend die erste Achse des Düsenkopfes eine Bewegung auf einer Kreisbahn um die zweite Achse herum ausführt.

Der Düsenkopf kann darüber hinaus zumindest in einem Abschnitt, welcher die zumindest eine Austrittsöffnung aufweist, um einen Winkel a zu der Vorschubachse geneigt sein. Auch hierdurch kann der Bearbeitungsquerschnitt um die Vorschubachse herum vergrößert werden, wobei gleichzeitig auch die Bearbeitungsgeometrie veränderbar ist. Alternativ kann auch die Abtragleistung durch Neigung der Austrittsöffnung vergrößert werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Düsenkopf eine Düse, insbesondere eine zentral angeordnete Düse, auf. Der Düsenkopf kann jedoch auch mit einer Vielzahl von Austrittsöffnungen versehen sein, von denen vorzugsweise zumindest einige so angeordnet sind, dass sie Strahlen abgeben, welche zueinander gewinkelt sind. Diese Konfiguration des Düsenkopfs verbessert weiterhin die Bear- beitungsleistung und ermöglicht, je nach Anordnung der Austrittsöffnungen, spezielle Schnitt- bzw. Bearbeitungsgeometrieen zu realisieren. So können die mehreren Austrittsöffnungen so angeordnet bzw. zueinander geneigt sein, dass die von Ihnen erzeugten Strahlen bzw. deren Mittelachsen einander zugewandt sind. D. h. die Mittelachsen der meh- reren Strahlen treffen sich bevorzugt in einem Punkt bzw. einem Fokus. Alternativ können die Mittelachsen der mehreren Strahlen einander zugewandt sein, ohne sich zu schneiden. Dies bedeutet die Mittelachsen der Strahlen definieren in einer Auftreffebene der Strahlen eine kleinere Fläche als im Bereich einer Austrittsebene. Hierdurch kann die Ab- tragsleistung vergrößert werden. Alternativ können die mehreren Austrittsöffnungen so angeordnet sein, dass ihre Strahlen bzw. deren Mittelachsen sich voneinander entfernen, so wird eine größere Bearbeitungsfläche abgedeckt. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die erste und/oder die zweite Antriebsvorrichtung einen Motor. Bei einem solchen Motor kann es sich beispielsweise um einen elektrischen Motor, aber auch um einen hydraulischen oder pneumatischen Motor handeln. Diese Ausgestaltung ermöglicht einen von der Suspensionsströ- mung unabhängigen Antrieb. Für den Fall, dass zwei Antriebsvorrichtungen vorgesehen sind, können diese jeweils separate Motoren dieser Art aufweisen, sodass diese unabhängig voneinander antreibbar sind, insbesondere die Rotationen unabhängig voneinander steuerbar sind. Alternativ kann auch ein solcher Motor für zwei Antriebsvorrichtungen vorgesehen sein, wobei die Antriebsvorrichtungen z. B. Getriebe aufweisen, welche mit dem gemeinsamen Antriebsmotor verbunden sind. Ein hydraulischer Motor kann auch von der Suspensionsströmung oder einer Flüssigkeitsströmung, welche aus der Suspension abgezweigt wird, selber angetrieben werden. Insbesondere kann die erste und/oder zweite Antriebsvorrichtung dazu eine durch Flüssigkeitsströmung angetriebene Turbine oder einen anderen durch Flüssigkeitsströmung angetriebenen Antrieb umfassen. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass auf einen zusätzlichen Antrieb, wie z. B. einen elektrischen Antrieb, verzichtet werden kann, insbesondere keine zusätzliche separate Energiezufuhr von außen erforderlich ist. Dabei kann jede Antriebsvorrichtung eine Turbine aufweisen oder es kann eine Turbine zum Antrieb beider Antriebsvorrichtungen vorgesehen sein. Eine solche Turbine kann beispielsweise ein oder mehrere Schaufelräder aufweisen, welche von der Flüssigkeitsströmung durchströmt und in Ro- tation versetzt werden. Die Rotation kann dann auf den Antrieb zur Drehung des Düsenkopfes beispielsweise über ein geeignetes Getriebe übertragen werden. D. h. der Antrieb ist in diesem Fall mit zumindest einem Schaufelrad verbunden. Ein anderer geeigneter Antrieb könnte über Verdrängerelemente wie bewegliche Kolben in Form eines Hyd- raulikmotors realisiert werden.

Insbesondere ist es von Vorteil, wenn in dem Düsenkopf zumindest ein Kanal vorgesehen ist, über welchen Fluid im Wesentlichen ohne feste Partikel aus der Suspension abzweigbar ist. Dies ist beispielsweise mög- lieh, wenn die Suspension, wie oben beschrieben, durch ein Strömungs- führungselement in Rotation versetzt wird. Wenn die Suspension rotiert, führt dies dazu, dass die Partikel bzw. das Abrasivmittel aufgrund der auftretenden Fliehkräfte nach außen bewegt werden, während sich die Flüssigkeit, insbesondere Wasser, in einem Mittelbereich ansammelt. Führt nun der genannte Kanal in den Mittelbereich, kann hier Flüssigkeit bzw. Fluid im Wesentlichen ohne Abrasivmittel aus der Suspensionsströmung abgezweigt werden. Dies kann in einer dem Strömungsführungs- elemen† stromabwärts nachgeschalteten Abzweigkammer erfolgen. Der Kanal, über welchen das Fluid aus der Suspension abzweigbar ist, ist weiter bevorzugt mit der oben beschriebenen Turbine verbunden, sodass diese mit reinem Fluid im Wesentlichen ohne Abrasivmittel von der Suspensionsströmung antreibbar ist. So wird verhindert, dass das Abrasivmittel der Suspension die Turbinen beschädigen könnten. Gleichzeitig wird ein Antrieb geschaffen, welcher auf eine zusätzliche separate Energiezufuhr verzichten kann. Besonders bevorzugt ist der Düsenkopf an einer Vorrichtung zum Wasserstrahlschneiden oder Wasserstrahl bohren, insbesondere Wasser- Abrasiv-Suspensions-Schneiden angeordnet. Eine solche Vorrichtung zum Wasserstrahlschneiden bzw. Wasser-Abrasiv-Suspensions-Schneiden mit einem Düsenkopf, wie er vorangehend beschrieben wurde, ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung. Eine solche Vorrichtung umfasst als wesentliche Bestandteile darüber hinaus noch eine Hochdruckpumpe, welche ein Fluid, insbesondere Wasser auf einen ausreichend hohen Druck bringt. Das unter Druck stehende Fluid wird nachfolgend beispielsweise durch einen Abrasivmittel behälter geleitet, in welchem es mit dem Abrasivmittel zur Ausbildung der Suspension vermischt wird. Weiter wird es dann dem beschriebenen Düsenkopf zugeführt.

Die Erfindung ist nachfolgend beispielhaft anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen

Hg. 1 eine Schnittansicht durch einen Düsenkopf gemäß dem

Stand der Technik;

Hg. 2 eine Schnittansicht durch einen weiteren Düsenkopf gemäß dem Stand der Technik; Fig. 3 eine Schnittansicht durch ein Bohrloch mit einem Düsenkopf gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 eine Schnittansicht durch ein Bohrloch mit einem Düsenkopf gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; eine Schnittansicht durch ein Bohrloch mit einem Düsenkopf gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 6 eine Schnittansicht durch ein Bohrloch mit einem Düsenkopf gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 7 eine Schnittansicht durch ein Bohrloch mit einem Düsenkopf gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; Fig. 8 eine Schnittansicht durch ein Bohrloch mit einem Düsenkopf gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 9A bis 9D jeweilige Schnittansichten durch Bohrlöcher mit jeweils einem Düsenkopf gemäß vier weiteren Ausführungsformen der Erfindung.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht durch einen Düsenkopf 1 gemäß dem Stand der Technik, welcher sich zum Ausbringen einer Suspension be- stehend aus einem Fluid bzw. einer Flüssigkeit und darin enthaltenem Abrasivpartikel eignet. Der Düsenkopf 1 weist an seinem in Strömungsrichtung hinteren Stirnende 2 eine Anschlussleitung 4 auf, welche lösbar mit dem Düsenkopf 1 verbunden ist. Am entgegengesetzten Stirnende 6, d. h. am in Strömungsrichtung vorderen Stirnende 6 ist am Düsenkopf 1 die eigentliche Düse 8 in Form eines Einsatzes angeordnet. Im Inneren des Düsenkopfes 1 ist ein sich vom hinteren Stirnende 2 zum vorderen Stirnende 6 erstreckender zentraler Durchgang 10 ausgebildet, welcher eine Flüssigkeitsleitung bildet, welche sich entlang der Längsachse X des Düsenkopfes erstreckt. Die Längsachse X bildet somit gleichzeitig die Strömungsrichtung, in welcher die Flüssigkeit von der Anschlussleitung 4 zu der Düse 8 durch das Innere des Düsenkopfes strömt. In dem Durchgang 10 ist ein Strömungsführungselement 12 in Form einer Schnecke angeordnet. Diese Schnecke definiert in ihrer Wendel einen spiralförmigen Strömungsweg von dem dem hinteren Stirnende 2 zugewandten Ende des Strömungsführungselements 12 zu dem der Düse 8 zugewandten Ende des Strömungsführungselements 12. Die Schne- cke des Strömungsführungselements 12 endet kurz vor dem Düsenkörper bzw. der Düse 8.

Das Strömungsführungselement 12 bewirkt, dass die Flüssigkeit/Suspension, welche vom Anschluss 4 her kommend in Strömungs- richtung durch den Durchgang 10 strömt, wenn sie durch das Strömungselement 12 strömt, spiralförmig durch den durch die Schnecke definierten Kanal strömen muss, sodass sie zusätzlich zu ihrer Bewegung in Richtung der Längsachse X eine rotatorische Bewegung um die Längsachse X erfährt. Beim Austritt der Flüssigkeit aus dem Strömungs- führungselement 12 zu der Düse 8 hin, behält die Strömung diese rotatorische Geschwindigkeitskomponente bei und führt neben ihrer axialen Bewegung in Richtung der Längsachse X gleichzeitig eine rotatorische Bewegung um diese aus. In dieser spiralförmigen Bewegung strömt die Flüssigkeit dann in den Einlauftrichter 14 der Düse 8. Der Ein- lauftrichter 14 verengt sich zu einem Kanal 16 hin, welcher sich im Inneren der Düse 8 in Richtung der Längsachse X erstreckt. Der Kanal 16 definiert den kleinsten Querschnitt der Düse 8 normal zur Längsachse X. Weiter stromabwärts erweitert sich in diesem Beispiel der Kanal 16 in einem Auslauftrichter 18. Der Auslauftrichter 18 schließt sich somit an die eigentliche Austrittsöffnung 20 am stromabwärtigen Ende des Kanals 16 an. Ein Auslauftrichter 18 muss jeweils nicht vorgesehen sein.

Beim Eintritt der Flüssigkeit in den Einlauftrichter 14 wird die Flüssigkeitsströmung zum Kanal 16 hin aufgrund des abnehmenden Querschnitts beschleunigt. Beim Eintritt der Strömung in den Einlauftrichter 14 und in den Kanal 1 6 wird der Rotationseffekt der Strömung beibehalten, so- dass beim Austritt der Strömung aus der Austrittsöffnung 20 durch den Auslauftrichter 18 ein kegelförmiger Flüssigkeitsstrahl 22 gebildet wird, welcher sich in Strömungsrichtung entlang der Längsachse X erweitert.

Aufgrund der Rotation der Strömung in der Schnecke des Strömungs- führungselements 12 und weiter stromabwärts wird das Abrasivmittel in der Flüssigkeit aufgrund der Zentrifugalkraft nach außen gepresst, da das Abrasivmittel eine größere Masse aufweist als die Flüssigkeit bzw. die Trägerflüssigkeit, in welcher sie sich befinden. Dieser Effekt wird innerhalb des Einlaufstrudels, welcher sich im Einlauftrichter 14 bildet und innerhalb des Kanals 1 6 der Düse 8 beibehalten, sodass nach dem Austritt aus der Düse durch den Auslauftrichter 18 das Abrasivmittel in dem Flüssigkeitsstrahl 22 einen Hohlkegel 24 bildet, sich das Abrasivmittel am Außenumfang des kegelförmigen Flüssigkeitsstrahls 22 absetzt. So bildet das Abrasivmittel in dem Flüssigkeitsstrahl 22 im Querschnitt normal zu der Längsachse X eine Kreisringfläche. Die Kreisringfläche bleibt auch beim Auftreffen auf ein Objekt im Wesentlichen bestehen. Auch beim Auftreffen auf das Objekt wirkt immer noch die Rotationsenergie in dem Flüssigkeitsstrahl 22, wodurch die Abtragungsenergie des Abrasivmittels beim Abtragen erhöht wird, sodass eine verbesserte Abtragsleistung erzielt werden kann. Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht durch einen weiteren Düsenkopf 1 gemäß dem Stand der Technik, bei welcher mehrere erste Düsen 7, welche in einer Vorschubrichtung S des Düsenkopfes 1 gerichtet sind, und mehrere zweite rückwärts gerichtete Düsen 9 an dem Düsenkopf 1 an- geordnet sind. Der Düsenkopf 1 ist hier im Einsatz in einem Bohrloch 3 gezeigt, in welchem er in der Vorschubrichtung S vorgeschoben wird. Um das abgetragene Material entgegen der Vorschubrichtung S aus dem Bohrloch 3 herausfördern zu können, sind die zweiten Düsen 9 vorgesehen. Diese sind ausgehend vom Düsenkopf 1 radial schräg nach hinten, d. h. schräg entgegengesetzt zu der Vorschubrichtung S gerichtet. Die zweiten Düsen 9 sind über Verbindungsleitungen bzw. Kanäle 5 mit dem stromabwärts des Strömungsführungselements 12 gelegenen Bereich 13 des Durchgangs 10 verbunden, welcher eine zentrale Strömungsleitung und Abzweigkammer bildet. Dabei ragen die Verbin- dungsleitungen 5 in den Zentral bereich des Bereichs 13 hinein, sodass die den zweiten Düsen 9 abgewandten Eintrittsöffnungen der Verbindungsleitungen 5 beabstandet vom Außenumfang des Bereichs 13 des Durchgangs 10 gelegen sind. Dies bewirkt, dass von der im Inneren des Bereichs 13 befindlichen Suspension nur Flüssigkeit aus dem zentralen Bereich, nicht jedoch Abrasivmittel vom Umfangsbereich in die Verbindungsleitungen 5 und damit zu den zweiten Düsen 9 geführt wird und von dort in der durch das Bezugszeichen F angegebenen Richtung austritt. Aufgrund der durch das Strömungsführungselement 12 erzeugten Rotation der Flüssigkeit wird das Abrasivmittel in einer Suspension durch die Zentrifugalkraft zum Außenumfang des Bereichs 13 hin gedrückt, sodass es sich in dem Bereich 13 in einem umfänglichen Bereich befindet, welcher zwischen den Eintrittsöffnungen der Kanäle bzw. Verbindungsleitungen 5 und der Umfangswandung gelegen ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass das Abrasivmittel nicht in die Verbindungslei- tungen 5 eintritt, sondern nur die im Zentral bereich befindliche Flüssigkeit. So wird erreicht, dass aus den zweiten Düsen 9 im Wesentlichen nur Flüssigkeit austritt, welche das von der Stirnseite 6 des Düsenkopfes 1 im Bohrloch 3 abgetragene Material parallel zu der Anschlussleitung 4 nach hinten entgegen der Vorschubrichtung S wegspült. Für den Spülvorgang ist kein Abrasivmittel erforderlich, während für den Abtrag mittels der aus den ersten Düsen 7 austretenden Suspension das Abrasiv- mittel wesentlich ist. Die Kanäle 5 dienen somit zum Abzweigen im Wesentlichen reiner Flüssigkeit aus der Suspension. Die Düsen 9 können bei geeigneter Ausrichtung ferner eine Rotation des Düsenkopfes um seine Längsachse X unterstützen. So werden aus den zweiten Düsen 9 und den ersten Düsen 7 unterschiedliche Flüssigkeiten, nämlich aus den ersten Düsen 7 eine Suspension und aus den zweiten Düsen 9 im Wesentlichen nur Trägerflüssigkeit, bevorzugt Wasser ausgebracht, während dem Düsenkopf 1 dennoch nur eine Suspension durch die Anschlussleitung 4 zugeführt werden muss. Eine Trennung in eine Suspension mit einer höheren Konzentration von Abrasivmittel und nur Flüssigkeit zum Spülen erfolgt im Düsenkopf 1 selber, wodurch zusätzliche Zufuhrleitungen zur Zufuhr von Spülflüssigkeit überflüssig werden. Das hier ebenfalls in dem zentralen Durchgang 10 angeordnete oben bereits erwähnte Strömungsführungselement 12 in Form einer Schnecke definiert den spiralförmigen Strömungskanal 1 1 , welches bewirkt, dass die Strömung auf die bereits in Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebene Art und Weise in Rotation versetzt wird. Diese Rotation behält die Flüs- sigkeit bzw. Suspension auch in dem stromabwärtigen Bereich 13 des Durchgangs 10 bei, von welchem die Verbindungskanäle 15 zu den ersten Düsen 7 abzweigen. Die Verbindungskanäle 15 sind dabei am in Strömungsrichtung vorderen stirnseitigen Ende des Durchgangs 10 am Außenumfang des Bereichs 13 angeschlossen, sodass erreicht wird, dass die Flüssigkeit bzw. Suspension in die Verbindungskanäle 15 einströmt, welche dann den ersten Düsen 7 zugeführt wird. Die Rotation der Suspension im Inneren des Bereichs 13 bewirkt dabei eine gleich- mäßige Verteilung der Suspension auf die mehreren Verbindungskanäle 15.

Fig. 3 ist eine Schniffansichf durch ein Bohrloch mit einem darin ange- ordneten Düsenkopf 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, welcher an seinem vorderen Ende 6 mit mehreren Austrittsöffnungen 20 versehen ist, welche jeweilig von dem Düsenkopf 1 radial nach außen einen Flüssigkeitsstrahl 22 abgeben. Im Inneren ist der Düsenkopf 1 mit mehreren Düsen 8 und jeweils einem Strömungsführungsführungsele- ment versehen, wobei der Aufbau grundsätzlich im Wesentlichen den in Zusammenhang mit Fig. 1 bzw. Fig. 2 beschriebenen Ausführungsformen entspricht. Im Unterschied zu den aus den Stand der Technik bekannten Düsenköpfen 1 wird in der hier dargestellten Ausführungsform gemäß der Erfindung jedoch zusätzlich der gesamte Düsenkopf 1 in Rotation versetzt, um die Abtragsleistung weiter zu verbessern. Hierzu weist der Düsenkopf 1 eine erste Antriebsvorrichtung 17' in Form eines Motors, z. B. eines elektrischen Motors auf, mittels welchem der Düsenkopf 1 um eine erste Achse AI gedreht wird, welche in diesem Fall mit der Vorschubrichtung S und der Längsachse X des Düsenkopfes zu- sammenfällt. Wie hier erkennbar ist, ist hierdurch der Düsenkopf 1 in der Lage, konzentrisch um die Vorschubachse S herum, entlang welcher er vorgeschoben wird, gedreht zu werden. Wird als erste Antriebsvorrichtung 17' anstelle eines elektrischen Motors beispielsweise ein durch Wasserströmung angetriebener Motor, z. B. eine Turbine verwendet, so ist die in Fig. 2 dargestellte Konfiguration des Düsenkopfes 1 vorteilhaft, gemäß derer die Verbindungsleitungen 5 lediglich Wasser oder Trägerflüssigkeit aus der Suspension abzweigen. Dazu sind die Kanäle bzw. Verbindungsleitungen 5 dann mit der Turbine, welche die erste Antriebsvorrichtung 17' bildet, verbunden. So kann auf eine separate Energiezufuhr für die erste Antriebsvorrichtung 17' verzichtet werden und die Antriebsvorrichtung 1 7' kann direkt durch die Suspensionsströmung bzw. die aus dieser abgezweigten Flüssigkeit angetrieben wer- den. Ausgangsseitig der Turbine kann die Flüssigkeit der Suspensionsströmung wieder zugemischt werden.

Fig. 4 ist eine Schnittansicht durch ein Bohrloch mit einem Düsenkopf 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, welcher sich von der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform in erster Linie dadurch unterscheidet, dass die erste Achse AI , welche mit der Vorschubachse S des Düsenkopfes zusammenfällt, um einen Abstand x radial versetzt bzw. beabstandet zu der Längsachse X angeordnet ist, sodass der Dü- senkopf 1 hier beabstandet um seine Vorschubachse S herum gedreht wird. Auch hierbei ist die erste Antriebsvorrichtung 17' an dem hinteren Ende 2 des Düsenkopfes 1 angeschlossen. Durch die beabstandete Rotation des Düsenkopfes 1 kann z. B. ein größerer Durchmesser D (siehe Fig. 9C) des Bohrlochs 3 realisiert werden. Die erste Antriebsvorrich- tung 1 7' ist wie in Fig. 3 auch hier zwischen einer Drehdurchführung 2 und dem Gehäuse 21 des Düsenkopfes 1 angeordnet.

Fig. 5 ist eine Schnittansicht eines Bohrloches mit einem Düsenkopf 1 gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, welche im Wesentlichen der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform entspricht, jedoch mit dem Unterschied, dass der Düsenkopf 1 mit seiner Längsachse X um einen Winkel a zu der Vorschubrichtung bzw. Vorschubachse S gekippt ist. Durch die gewinkelte Anordnung des Düsenkopfes 1 kann z. B. eine andere Bohrlochgeometrie (siehe Fig. 9B) während der Bearbei- tung realisiert werden.

Fig. 6 eine Schnittansicht eines Bohrloches mit einem Düsenkopf 1 gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Der Unterschied zu der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform liegt in der Anord- nung der ersten Antriebsvorrichtung 17', welche hier nicht - wie in der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform - seitlich zu dem Gehäuse 21 des Düsenkopfes 1 angeordnet ist, sondern in Strömungsrichtung zentral davor liegend als Hohlwellenantrieb, sodass der Platzbedarf des gesamten Aufbaus bzw. dessen Gesamtdurchmesser d im Vergleich zu den in Fig. 3 bis Fig. 5 dargestellten Ausführungsformen verringert wird. Fig. 7 ist eine Schnittansicht eines Bohrloches mit einem Düsenkopf 1 gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, welcher sich von den in Fig. 3 und Fig. 6 dargestellten Ausführungsformen dadurch unterscheidet, dass die erste Antriebsvorrichtung 17' hier nicht zwischen der Drehdurchführung 2, welche als Anschlussteil für die An- Schlussleitung 4 dient, und dem Gehäuse 21 angeordnet ist, sondern dass die Drehdurchführung 2 in ein Getriebe, mittels welchem der Düsenkopf 1 von der Antriebsvorrichtung 17' gedreht wird, integriert ist.

Fig. 8 ist eine Schnittansicht eines Bohrloches mit einem Düsenkopf 1 gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von den bisher beschriebenen Ausführungsformen dadurch, dass hier die Bewegungen der in Fig. 3 und der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsformen überlagert werden. Hierzu wird der Düsenkopf 1 mittels einer ersten Antriebsvorrichtung 17' um die erste Achse AI (entspricht der Längsachse X) in einer zentrischen Rotation gedreht und gleichzeitig mittels einer zweiten Antriebsvorrichtung 1 7' ' um eine zweite Achse A2, welche der Vorschubachse S entspricht, in einer exzentrischen Rotation gedreht. Die erste Achse AI und die zweite Achse A2 sowie die Vorschubachse S sind parallel zueinander angeordnet. Jedoch sind die erste Achse AI und die zweite Achse A2 voneinander beabstandet. Zur Ermöglichung der beiden Drehbewegungen sind zwei Drehdurchführungen 2 vorgesehen.

Fig. 9A bis 9D sind jeweilige Schnittansichten von Bohrlöchern mit jeweils einen Düsenkopf 1 gemäß vier weiteren Ausführungsformen der Erfindung, welche sich von den in Fig. 3 bis Fig. 7 dargestellten Ausführungsformen im Wesentlichen dadurch unterscheiden, dass hier anstelle von mehreren Austrittsöffnungen 20, welche durch mehrere in dem Gehäuse 21 angeordnete entsprechende Düsen versorgt werden, hier jeweils nur eine einzige, zentral in der Mitte des vorderen Endes 6 des Düsenkopfes 1 angeordnete Austrittsöffnung 20 vorhanden ist. Wie hier au- ßerdem erkennbar ist, sind zweite Austrittsöffnungen 23 an dem äußeren Umfang des Düsenkopfes 1 angeordnet, welche durch hier nicht dargestellte zweite Düsen versorgt werden, welche schräg entgegengesetzt zu der Vorschubrichtung S gerichtet sind und welche entsprechend der in Fig. 2 dargestellten und beschriebenen Ausführungsform, Flüssigkeit in der Richtung F abgeben, um das im Bohrloch 3 abgetragene Material parallel zu der Anschlussleitung 4 nach hinten entgegen der Vorschubrichtung S wegzuspülen. Ansonsten - abgesehen von den oben erwähnten Unterschieden - entspricht der in Fig. 9A dargestellte Düsenkopf 1 im Wesentlichen der in Zusammenhang mit Fig. 3 be- schriebenen Ausführungsform, der in Fig. 9B dargestellte Düsenkopf 1 der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform, der in Fig. 9C dargestellte Düsenkopf 1 der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform und der in Fig. 9D dargestellte Düsenkopf 1 der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform. Hinsichtlich der vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiele ist zu verstehen, dass einzelne Merkmale hier auch in anderer Weise miteinander kombiniert werden können. So können alle Antriebsvorrichtungen 1 7', 1 7" um die Achsen AI und/oder A2 beispielsweise als elektrische Antriebe oder als Wasserantriebe, z. B. mit Turbinen, ausgebildet sein, wobei derartige Wasserantriebe bevorzugt über die oben anhand von Fig. 2 beschriebenen Verbindungsleitungen 5 mit Flüssigkeit versorgt werden. Darüber hinaus ist zu verstehen, dass die einzelnen Antriebsbzw. Rotationskonzepte auch mit den verschiedenen Düsenausgestaltungen kombiniert werden können. So können in allen Ausführungsbei- spielen wahlweise mehrere oder nur eine Austrittsöffnung 20 vorgesehen sein. Auch müssen die in den Figuren 2 - 8 gezeigten mehreren Austrittsöffnungen 20 nicht so angeordnet sein, dass ihre Abstrahlrich- tungen voneinander weg gerichtet sind, vielmehr könnten die Austrittsöffnungen 20 auch wie in Fig. 2 gezeigt, so angeordnet sein, dass ihre Abstrahlrichtungen einander zugewandt sind, wobei die Mittelachsen sich aber vorzugsweise nicht schneiden. Auch ist zu verstehen, dass der Düsenkopf auch bei den anderen Ausführungsbeispielen, wie in den Figuren 5 und 9B gezeigt, geneigt bzw. gewinkelt angeordnet sein könnte. Ferner ist zu verstehen, dass in den gezeigten Ausführungsbeispielen die Düsen 8 so ausgebildet sein können, dass jeder Düse ein Strömungsführungselement 12 in Form einer Spirale zugeordnet sein kann, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Alternativ kann in den Ausführungsbeispielen mit mehreren Düsen bzw. Austrittsöffnungen 20 eine Ausgestaltung wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, gewählt sein, bei welcher ein Strömungsführungselement stromaufwärts im Strömungsweg zu allen oder zumindest mehreren Austrittsöffnungen gelegen ist.

Der wesentliche Gedanke der Erfindung liegt darin, den Düsenkopf durch einen separaten Antrieb in Rotation um eine Achse zu versetzen, wobei gleichzeitig die Suspension, wie anhand von Figuren 1 und 2 erläutert, bevorzugt ihrerseits im Inneren des Düsenkopfes in Rotation ver- setzt wird.

Bezugszeichen

1 Düsenkopf

2 Drehdurchführung

3 Bohrloch

4 Anschlussleifung

5 Verbindungsleifung

6 vorderes Ende

7 erste Düsen

8 Düse

9 zweite Düsen

10 zentraler Durchgang

1 1 Strömungskanal

12 Strömungsführungselement

13 stromabwärtiger Bereich des Durchgangs 10

14 Einlauftrichter

15 Verbindungskanal

1 6 Kanal

1 7' erste Antriebsvorrichtung

1 7" zweite Antriebsvorrichtung

18 Auslauftrichter

19 Umlenkung

20 Austrittsöffnung

21 Gehäuse

22 Flüssigkeitsstrahl

23 zusätzliche Austrittsöffnung

24 Hohlkegel

X Längsachse

S Vorschubrichtung bzw. Vorschubsachse F Austrittsrichtung

AI erste Achse

A2 zweite Achse

a Neigungswinkel

D Durchmesser des Bohrlochs

Claims

Ansprüche

1 . Düsenkopf (1 ) zum Ausbringen einer unter Druck stehenden Suspension bestehend aus einem Fluid und Abrasivmittel, mit zumindest einer Düse (8), welche zumindest eine Austrittsöffnung (20) zum Austritt der Suspension aufweist,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Düsenkopf (1 ) zumindest eine erste Antriebsvorrichtung (17') aufweist, durch welche der Düsenkopf um eine erste Achse (AI ) gedreht werden kann.

2. Düsenkopf (1 ) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkopf (1 ) zur Bewegung entlang einer Vorschubachse (S) ausgestaltet ist und dass vorzugsweise die erste Achse (AI ) parallel zur Vorschubachse (S) verläuft.

3. Düsenkopf (1 ) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich- net, dass stromaufwärts der zumindest einen Düse (8) zumindest ein Strömungsführungselement angeordnet ist, welches einen spiralförmigen Strömungskanal aufweist, durch welchen die auszubringende Suspension gefördert und dabei in Rotation versetzt wird.

4. Düsenkopf (1 ) gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Achse (AI ) mit der Vorschubachse (S) zusammenfällt.

5. Düsenkopf (1 ) gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Achse (AI ) beabstandet von der Vor- schubachse (S) ist.

6. Düsenkopf (1 ) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkopf (1 ) eine zweite Antriebsvorrichtung (17") aufweist, durch welche der Düsenkopf (1 ) zusätzlich um eine zweite Achse (A2) drehbar ist, die beabstandet von der ersten Achse (AI ) ist.

7. Düsenkopf (1 ) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkopf (1 ) zumindest in einem Abschnitt, welcher die zumindest eine Austrittsöffnung (20) aufweist, um einen Winkel (a) zu einer Vorschubachse geneigt ist.

8. Düsenkopf (1 ) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkopf (1 ) eine Düse (8), insbesondere eine zentral angeordnete Düse (8), aufweist.

9. Düsenkopf (1 ) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkopf (1 ) eine Vielzahl von Austrittsöffnungen (20) aufweist, von denen vorzugsweise zumindest einige so angeordnet sind, dass die von ihnen abgegebenen Strahlen (22) zueinander gewinkelt sind.

10. Düsenkopf (1 ) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Antriebsvorrichtung (17', 17") einen Motor umfasst.

1 1 . Düsenkopf (1 ) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Antriebsvorrichtung (17', 1 7") einen hydraulischen Motor, z. B. eine Turbine umfasst.

12. Düsenkopf (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Düsenkopf (1 ) zumindest ein Kanal (5) vorgesehen ist, über welchen Fluid im Wesentlichen ohne feste Partikel aus der Suspension abzweigbar ist.

13. Düsenkopf (1 ) gemäß Anspruch 1 1 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (5) mit der Turbine verbunden ist.

14. Düsenkopf (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkopf (1 ) an einer Vorrichtung zum Wasserstrahlschneiden oder Wasserstrahl bohren angeordnet ist.